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基于图像的机械臂手眼协调系统研究

基于图像的机械臂手眼协调系统研究

作者：周金宝哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

自从诞生以来,机器人就一直处于从简单到复杂,从单一到多样,从低级到高级的不断发展过程中,特别是随着电子器件技术的发展,计算机的处理能力与传感器技术有了很大的提高,人们不再满足于机器人仅能在特定的工作环境中按照既定程序进行重... 详细信息

自从诞生以来,机器人就一直处于从简单到复杂,从单一到多样,从低级到高级的不断发展过程中,特别是随着电子器件技术的发展,计算机的处理能力与传感器技术有了很大的提高,人们不再满足于机器人仅能在特定的工作环境中按照既定程序进行重复操作,纷纷为其添加各种外部传感器,使其具有更广的适用范围及更高的性能,其中机器人视觉的引入是机器人技术的一个飞跃性发展,其能够为机器人提供丰富而广泛的信息,并能够对环境进行非接触式测量。在机器视觉的的众多研究方向之中,研究机器人的视觉传感器与执行器之间的协调控制策略具有广泛的应用前景,并已经成为一个研究热点。实验室现有RM-501机械臂一台,但是除机体其余设备已损坏,本课题的主要目的是为其设计驱动控制系统,同时加入视觉检测系统,使其具备手眼协调功能,最终使其成为一个开放性的教学演示平台。论文首先对机器人及其手眼协调的背景及发展历程进行了详细的介绍,通过对机械臂手眼协调的特点、适用条件及优缺点进行分析,并结合本课题的特点及要求,本文选用了单目、眼在手上的物理结构及基于图像的视觉控制方式。然后对机械臂手眼协调系统进行了总体介绍,其主要分为关节驱动控制系统、视觉检测系统和视觉控制器,之后对它们进行了详细设计。其中,关节驱动控制系统中使用了PWM的调速方式对各关节电机进行驱动,采用了外环位置环与内环速率换的双闭环控制结构;视觉检测系统主要是采用了基于背景差分的方法实现对目标物体的检测,为了验证算法首先在MATLAB环境下对其进行了仿真,之后将其移植到ADSP Blackfin533平台上,并使用D/A将图像特征矢量输出给主控计算机;视觉控制器的设计是基于图像雅克比矩阵模型,其主要是建立起图像特征矢量变化与机械臂空间运动之间的关系。最后进行系统联调,其中控制器主要是在主控计算机的在Simulink/RTW环境下搭建的,其它个子系统通过PCI1711板卡与主控计算机的控制器进行实时通信,最终实现机械臂的手眼协调功能。目前已完成了对机械臂手眼协调的各子系统的设计与调试,并进行系统联调,实验结果比较理想,但是对目标物体的定位与跟踪精度上还需进一步研究。

关键词：手眼协调图像雅可比机械臂视觉检测

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基于图像的无标定混合双目机械手视觉伺服

基于图像的无标定混合双目机械手视觉伺服

作者：周勇重庆大学

学位级别：硕士

机器人视觉伺服是机器人研究领域的一个重要部分,其主要核心是对视觉系统的反馈信息进行处理,以此驱动机器人运动,完成机器人的定位、跟踪等控制任务。机器人是一个高度非线性的系统,并且视觉系统内部也存在非线性的映射关系。因此,机... 详细信息

机器人视觉伺服是机器人研究领域的一个重要部分,其主要核心是对视觉系统的反馈信息进行处理,以此驱动机器人运动,完成机器人的定位、跟踪等控制任务。机器人是一个高度非线性的系统,并且视觉系统内部也存在非线性的映射关系。因此,机器人视觉伺服控制的一个的难点在于建立机器人和视觉系统之间的映射关系。本文以图像雅可比矩阵描述上述两者间的映射关系,采用了“眼固定”和“眼在手”相结合的布局方式,分别以点和角度为图像特征,组成图像雅可比矩阵。采用最小二乘法估计图像雅可比矩阵的初值,作为在线更新的基础,以卡尔曼滤波递推估计算法来进行图像雅可比矩阵的在线辨识更新,主要工作如下:(1)提出了基于图像的无标定混合双目机械手六自由度视觉伺服控制方法。对于机械手在任务空间中的位姿定位任务,采用基于图像的视觉伺服闭环控制方法,用卡尔曼滤波方法在线估计图像雅可比,通过图像雅可比提供的手眼映射关系,在图像平面设计期望的图像特征位置,通过图像特征偏差驱动、引导机械手在任务空间实现位姿定位的任务。设计了PID机械手视觉伺服控制器,并对控制器的稳定性条件进行了分析。(2)采用澳大利亚科学家Peter Corke开发的免费开源的机器人工具箱(9.9版本),结合机器视觉工具箱(3.3版本),在Matlab2014a环境下搭建了视觉伺服仿真平台。以“眼在手”和“眼固定”相结合的形式布局摄像头,并设计了基于图像的无标定机械手六自由度视觉伺服仿真对比试验。(3)利用参与搭建的由DENSO VS 6556GM六自由度工业机械手,RC7M控制器和大恒水星系列工业相机等设备组成的平台,以点和角度作为图像特征,用常值图像雅可比结合关节角限制,进行了实物试验。仿真试验结果表明,本文提出的基于图像的无标定混合双目机械手六自由度视觉伺服控制方法,能够有效、准确的完成机械手六自由度的位姿定位任务,验证了方法的可行性和有效性。同时,实物实验采用的方法也较好的实现了基于图像的无标定混合双目机械手视觉伺服位姿定位任务。

关键词：图像雅可比混合双目无标定视觉伺服机械手卡尔曼滤波

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面向微装配的显微视觉伺服

机械工程学报 2008年第2期44卷 82-86页

作者：陈国良黄心汉王敏武汉理工大学机电工程学院武汉430070 华中科技大学控制科学与工程系武汉430074

将基于显微视觉伺服的机械手的装配位姿调整归结为使其末端执行器上三点运动到指定空间三点的问题。规定其中一点沿直线运动到目标位置,其余两点则以绕该点旋转的方法运动到它们对应的目标位置,避免部件的运动干涉与碰撞,并确保末端执... 详细信息

将基于显微视觉伺服的机械手的装配位姿调整归结为使其末端执行器上三点运动到指定空间三点的问题。规定其中一点沿直线运动到目标位置,其余两点则以绕该点旋转的方法运动到它们对应的目标位置,避免部件的运动干涉与碰撞,并确保末端执行器始终在显微镜的视场中。以机械手的路径规划为基础,给出基于距离和角度的图像特征差的估计方法,定义并建立基于图像特征差的图像雅可比矩阵以及机械手的运动模型。提出基于图像误差与控制信号综合优化的具有图像延迟系统的最优控制算法,基于动态视觉伺服控制策略建立比例控制与最优控制综合的视觉伺服控制结构,通过一个误差开关在不同的控制器上切换,进行直线位姿调整和动态目标跟踪试验。结果表明,所研究内容正确可行,系统定位精度保持在两个像素以内,具有较好的实时性,能满足微装配性能指标的要求。

关键词：显微视觉伺服微装配图像雅可比最优控制

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视觉跟踪模糊自调节PI控制算法

计算机科学 2007年第1期34卷 140-143页

作者：沈晓晶陈明李净池涛上海水产大学信息学院上海200090

视觉跟踪系统是一个非线性时变系统,传统控制方法往往难以胜任。因此,本文提出一种新的视觉跟踪控制算法——模糊自调节PI控制算法,以跟踪三维平动刚体目标。与传统基于图像的视觉伺服控制算法相比,该控制算法有两个优点:①以二值目标... 详细信息

视觉跟踪系统是一个非线性时变系统,传统控制方法往往难以胜任。因此,本文提出一种新的视觉跟踪控制算法——模糊自调节PI控制算法,以跟踪三维平动刚体目标。与传统基于图像的视觉伺服控制算法相比,该控制算法有两个优点:①以二值目标图像的矩特征为图像特征,因而无需图像特征匹配;②模糊调节器根据闭环系统响应的不同阶段,在线调节PI参数,从而改善了闭环系统的整体性能。仿真结果表明,本文提出的模糊自调节PI控制算法不仅简单快速,且具有较高控制精度。

关键词：视觉跟踪图像雅可比 PI控制模糊调节

面向柔性导线涂覆作业的机器人视觉检测与定位方法

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机床与液压 2023年第23期51卷 16-22页

作者：饶成龙宋屹峰赵娟平王俊彭沈阳化工大学信息工程学院辽宁沈阳110142 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169

架空裸导线没有绝缘外皮的保护,容易发生安全事故,利用涂覆机器人开展裸导线绝缘化作业能够减少对人身安全的威胁。针对柔索环境下涂覆机器人运动导致柔索发生变形致使目标发生变化,提出一种面向柔性导线涂覆作业的机器人视觉检测与定... 详细信息

架空裸导线没有绝缘外皮的保护,容易发生安全事故,利用涂覆机器人开展裸导线绝缘化作业能够减少对人身安全的威胁。针对柔索环境下涂覆机器人运动导致柔索发生变形致使目标发生变化,提出一种面向柔性导线涂覆作业的机器人视觉检测与定位方法,利用机械臂末端相机采集涂覆机器人的标记位置图像,实现对涂覆柔性导线作业的检测与定位。针对柔索环境下目标会随柔索的变形而发生变化的现象,基于相机标定开展图像雅可比矩阵与观察臂雅可比矩阵计算涂覆机器人的空间位置坐标,对动态变化的目标实时定位与跟踪。实验结果表明:该方法可有效对目标进行定位与跟踪,具备外部环境适应能力。

关键词：定位跟踪柔索环境相机标定图像雅可比观察臂雅可比

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胶囊机器人磁驱系统设计及控制研究

胶囊机器人磁驱系统设计及控制研究

作者：刘春松哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

胶囊内窥镜机器人自问世以来,为胃肠道检查领域带来了巨大的改变,展现展现出了广阔的应用前景。同时为了配合医师进行精确检查和治疗,胶囊机器人的主动控制技术成为了科学研究的热点领域。研究表明永磁体能持续产生稳定的能量场且不会... 详细信息

胶囊内窥镜机器人自问世以来,为胃肠道检查领域带来了巨大的改变,展现展现出了广阔的应用前景。同时为了配合医师进行精确检查和治疗,胶囊机器人的主动控制技术成为了科学研究的热点领域。研究表明永磁体能持续产生稳定的能量场且不会出现高热现象,因此对人体没有伤害。同时永磁体控制胶囊机器人相较于电磁场控制,其控制更加直观、简单,在临床情况下医生的手动控制更加有效与方便。为了实现更精确的主动控制,通过借助视觉模块的反馈控制,帮助医生进行检查也渐渐成为热点。针对胃肠道检查中胶囊机器人的主动精确控制和对于特定目标的检测与跟踪,设计了一种基于无标定视觉伺服的胶囊机器人磁驱动系统,目标是为了控制胶囊机器人在三维空间内进行精确的空间位姿控制,同时通过视觉信息反馈实现对目标物体的快速定位、追踪,使胶囊机器人对准目标特征。主要由永磁体驱动平台设计、胶囊机器人结构设计、磁驱动算法设计以及视觉反馈系统设计构成,其中永磁体作为磁场的发生装置,基于磁偶极子模型构建了空间磁场的数学模型,分析了胶囊机器人在驱动磁场中的受力及运动情况,建立了从机械臂关节空间到胶囊机器人所受力和力矩的映射关系;磁驱动算法通过对胶囊机器人的受力分析建立了机械臂关节空间到胶囊机器人笛卡尔空间之间的映射关系;视觉反馈系统是通过识别目标的特征信息,确定相对位置关系,运用在线估计图像雅可比的方法更加精确的驱动胶囊机器人。本文借助磁驱动系统,搭建了胶囊机器人开环控制系统,制定了控制策略,分析了系统的控制性能,实现了胶囊机器人的空间平移和旋转控制;并且通过视觉反馈实现了对空间静止物体和运动物体的精确快速追踪。实验证明本文所设计的胶囊机器人无标视觉伺服系统满足系统驱动的设计需求。

关键词：胶囊机器人永磁体驱动无缆控制无标度视觉伺服图像雅可比

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纳米操作机视觉伺服技术研究

纳米操作机视觉伺服技术研究

作者：邢有林哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

纳米技术在飞速发展,纳米材料依靠其优良独特的性能应用于各个领域。纳米操作技术对纳米科技的发展起到至关重要的作用。以往的纳米操作系统都是依靠人手工操作信号输入设备完成对纳米器件的操作,这种方法很费时,还容易造成设备损坏。... 详细信息

纳米技术在飞速发展,纳米材料依靠其优良独特的性能应用于各个领域。纳米操作技术对纳米科技的发展起到至关重要的作用。以往的纳米操作系统都是依靠人手工操作信号输入设备完成对纳米器件的操作,这种方法很费时,还容易造成设备损坏。随着机器人技术的快速发展,实现纳米操作的自动化是大势所趋。纳米操作的自动化必须实现闭环控制,然而现有的传感器很难达到纳米级别的测量精度,扫描电子显微镜(SEM)凭借其极高的分辨率、高采样率成为纳米操作系统发展必不可少的工具。本文提出依靠扫描电镜图像,利用视觉伺服技术实现一定程度上自动化的纳米操作机,总结了用于纳米操作机的视觉伺服技术并对这些方法在纳米操作机上的应用效果进行了仿真测试。首先搭建了纳米操作系统,分析了各组成部分的作用。选择SEM作为视觉伺服系统图像信息采集反馈装置,简要介绍了扫描电镜的成像原理和系统选用电镜的型号和性能指标;选择压电陶瓷驱动器作为探针控制器件,得到压电陶瓷器件的简化模型;同时为了实现系统的快速性,在位置反馈环节依靠扫描电镜和应变片共同完成。由于整个系统性能很大程度上依赖于SEM图像,需要对图像进行高性能处理,包括降噪和图像漂移补偿。选择NL-means算法作为去噪滤波器,相对于传统的降噪方法有更优良的性能;但这种方法运算量大,普通的处理方式不能满足伺服系统的实时性要求,随后采用依靠GPU并行加速的方法解决去噪的快速性问题;提出了将图像相似性算法用于对SEM图像漂移补偿的方案;作为实现视觉伺服的必备条件,必须知道被控对象和目标的实时位置,本文利用具有仿射不变性的SIFT算法实现对探针针尖的运动,对于追踪目标的辨识,依据具体使用条件做出调整。课题的目标是通过SEM图像获得压电驱动器所需的输入信号,由图像信息作为控制规律的输入信号得到。将小孔成像模型的雅可比模型迁移到SEM成像模型上,依靠在线调节算法获得实时图像雅可比矩阵;针对探针控制快速性和精确性的综合要求,实现基于应变片信号和基于视觉伺服的信号切换方法;提出一种简单而实用性强的Z轴接触检测方法。最后,在图像平面上进行了目标跟踪仿真,并对仿真结果做出分析,从而得到最优的控制参数;利用VRML软件搭建起三维笛卡尔坐标系下的视觉伺服控制仿真平台,模拟了视觉伺服的实现过程。

关键词：视觉伺服图像漂移补偿并行加速图像雅可比

基于无标定视觉伺服的核燃料棒组装关键技术研究

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基于无标定视觉伺服的核燃料棒组装关键技术研究

作者：孙丽丽哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为基础能源的核电事业在燃料棒组件的生产水平和装备上相对落后,燃料棒在组装时会因其细长的结构特征导致组装任务难以完成,自动组装的重要方向就是基于视觉对机器人进行优化控制,实现自动组装。机器人视觉伺服是机器人研究领域的一... 详细信息

作为基础能源的核电事业在燃料棒组件的生产水平和装备上相对落后,燃料棒在组装时会因其细长的结构特征导致组装任务难以完成,自动组装的重要方向就是基于视觉对机器人进行优化控制,实现自动组装。机器人视觉伺服是机器人研究领域的一个重要部分,其主要核心是对视觉系统的反馈信息进行处理难点在于建立机器人和视觉系统之间的映射关系。本文以图像雅可比矩阵描述上述两者的映射关系,采用双目固定的相机布置方式,分别以点和角度为图像特征,组成图像雅可比矩阵。采用鲁棒信息滤波递推估计算法进行图像雅可比矩阵的在线辨识更新,主要工作如下:针对燃料棒细长易变形的结构特性,利用Ansys软件对其进行力学分析,确定最佳夹持位置,设计了一款气动柔性专用机械手爪及气动控制回路来实现其抓取任务及装配作业,避免由于位置坐标误差、指令出错等导致装配任务失败或引起巨大应力对机器人造成损坏。图像处理提取点与角度特征时,针对Canny算子的适应性缺陷,无法取得高斯滤波器平滑参数和高低阈值的兼顾问题,采用双边滤波代替高斯滤波以增强保边功能,结合小波变换增强边缘信息。优化的Canny算子在图像的均值、方差、熵及平均梯度值参数方面加大的改善了图片质量,实现了图像的去噪及边缘增强效果,为后续雅克比矩阵的在线估计奠定了基础。提出了基于图像的六自由度机器人固定双目无标定视觉伺服控制方法。鲁棒信息滤波方法在线估计图像雅可比,通过图像雅可比提供的手眼映射关系,在图像平面设计期望的图像特征位置通过图像特征偏差驱动、引导机械手在任务空间实现位姿定位的任务。基于Matlab环境下的机器人工具箱结合机器视觉工具箱,搭建了视觉伺服仿真平台,并设计了基于图像的无标定机械手六自由度视觉伺服仿真对比试验,综合比对了不同图像雅克比估计算法对本课题组装任务的优缺点,进行了实物实验。仿真结果表明鲁棒信息滤波估计图像雅克比在速度和精度上都占优势。通过实物实验验证基于图像的无标定伺服控制的可行性和有效性,基于VC++的MFC框架开发的软件监控平台实时显示装配进度以及错误预警等。

关键词：燃料棒组装 Canny算子图像雅可比无标定视觉伺服机器人